JP2008513721A - 燃焼に関する方法およびバーナ - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料と酸化剤とをバーナヘッドに供給して加熱炉内で燃料を酸化剤で燃焼させることに関する方法に関する。燃料と酸化剤は、第１段階で、加熱炉空間の温度が燃料の自然発火燃焼温度に達するまで互いに近接させてバーナヘッド（１，１０）から放出させ燃焼が基本的にバーナヘッド（１，１０）からある短い距離でバーナヘッドに近接して行われ、また第２段階で、燃料と酸化剤は、今度は互いに離した状態でバーナヘッド（１，１０）から放出させ、燃焼が基本的にバーナヘッドから、バーナから外方で少なくともバーナヘッドの直径に相当する距離で離れた位置で行われる。

Description

本発明は、燃焼に関する方法およびバーナに関する。特に本発明は、加熱炉に関して酸素ガスを燃焼させるための方法およびバーナに関する。

高酸素濃度の組み合わせで炭化水素を加熱するに際して、火炎温度は、二酸化炭素と水蒸気の非常に高い分圧の炉雰囲気で通常２０００℃以上に達し、結果として、高ＮＯｘ含有量となり、局所過熱の問題が生ずる欠点がある。

排出低減の能力を有するバーナの設計がかなり望ましい。
本発明は、この願望を満たすものである。

従って、本発明によれば、加熱炉で酸化剤での燃料の燃焼に関連する方法が提供され、この方法は、燃料と酸化剤がバーナヘッドに供給され、特徴として、第１段階として、燃料および酸化剤がバーナヘッドから互いに近接して放出して、加熱炉空間における温度が燃料の自然発火燃焼温度を超える温度に達するまで基本的にバーナヘッド付近の僅かな距離外側で燃焼過程を生じさせ、第２段階として、燃料と酸化剤を今度は互いに隔置された関係でバーナヘッドから放出して、基本的に少なくともバーナヘッドの直径に相当する距離でバーナヘッドから離してバーナの外側で燃焼過程を生じさせることを特徴とする。

本発明は、さらに、請求項９に記載の特徴構成を概して有するこの種のバーナにも関している。

本発明の方法は、加熱炉で燃料を酸化剤とともに燃焼させるものであり、燃料と酸化剤がバーナヘッドに供給される。バーナヘッドは既知の態様で加熱炉の壁に装着され、燃焼過程で発生する火炎が加熱炉室へと延びる。

本発明は、燃焼過程が２段階で行われ、第２段階が既知の技術よりも効果がある。

この方法の第１段階で、燃料と酸化剤が互いに近接した関係でバーナヘッドから放出され、燃焼過程が、バーナヘッド付近の僅かに離れた位置で生じさせる。この方法自体は、バーナが酸素バーナである場合に公知である。

方法の第１段階では、加熱炉室で温度が燃料の自然発火燃焼温度を超えるまでバーナを作動される。

燃焼過程の第２段階は、加熱炉温度がほぼ７５０℃以上になった際に都合よく開始できる。

本発明によれば、この第２段階は、この温度あるいは、この温度以上の温度になったときに行われる。この第２段階では、今度は、燃料と酸化剤は互いにある距離をもってバーナから放出され、これにより燃焼が、少なくともバーナヘッドの直径に相当する距離でバーナヘッドから離してバーナの外側で生じる。

本発明を添付図に示す本発明の実施例を一部参照して詳細に説明する。
第１の段階では、燃料は、バーナヘッド１内のノズル２から放出され、酸化剤は、ノズル２の周りに同心的に並べられた出口開口３から放出されるようにされることが好ましい（図１を参照）。

また、第２段階において、燃料は、バーナヘッド１におけるノズル２から放出されるようにされ、酸化剤は、ノズル２からある距離をおいてノズル２の片側に位置する出口開口４，５から放出されることが好ましい（図１を参照）。

本発明の好ましい一実施例では、出口開口４，５は、ラバルノズルあるいはベンチュリノズルである。

開口６は、火炎をモニタする機能を有する。

本発明の好ましき実施例に拠れば、出口開口４，５は、バーナヘッドの直径の１／２を越える距離で燃料ノズル２から離されている。

約４０ｍｍの距離で充分な効果が得られることが判明している。

バーナは、よって二つの異なる動作モードをとることとなり、すなわち、一つは典型的酸素バーナとして、またもう一つは基本的に低い最大温度の火炎を発生させる機能を有するバーナとして働く。この低い火炎温度は、ＮＯｘの発生が反応速度論により制限される温度、すなわち約１５５０℃以下となる。

これは、酸素出口開口４，５および燃料ノズルの上記の配置により達成され、これにより、燃料と酸素は、従来の酸素燃料燃焼過程に比し、バーナから遠く離れて燃焼する。これについて、図３と図４に示す。図３では、酸素燃料燃焼に関して火炎７，８の長さと伝播の相互の関係を示し、図４は、本発明の方法の第２段階による燃焼の場合の同火炎の長さと伝播との相互の関係を示す。

本発明の概念は、８０％以上の酸素含有量の酸化剤の使用にも拘らず、燃焼領域での酸素含有量を、分離、高圧ならびにノズルの最適配置により低減することにある。媒体放出ノズルの無いノズルの表面上に高いサブ圧力（ｓｕｂｐｒｅｓｓｕｒｅ）を発生しうるノズル構成により達成される。サブ圧力の結果として、燃焼ガスは、加熱炉雰囲気から吸引され、流出媒体と急速に混合され、双方で乱流を生じせしめる。混合媒体、すなわち加熱炉雰囲気は、酸素含有量が典型的に０．５から１０％である。含有される他のガスは、ＣＯ_２、Ｈ_２ＯならびにＮ_２で構成される。

ＣＯ_２、Ｈ_２ＯならびにＮ_２は、燃焼過程で何らの役割を果たさないので、これらの成分は、“燃焼遅延剤”となる。酸素と燃料の希釈度は非常に高い。典型的には、純酸素を使用しているにも拘らず、燃焼過程で７から１５％の酸素濃度が達成される。本発明を適用すると、前述の自然発火燃焼温度を超える処理温度で、拡散され、しかして制御された燃焼が得られ、主にＮＯやＮＯ_２などのＮＯｘの発生がかなり低減される。

結果として、燃料と酸化剤ガスが互いに交わる前に、燃料および酸化剤が加熱炉煙道ガスと混合される。これにより既知の技術での燃焼に際して達成されると同等の有効性を維持しつつ、しかも、大きく且つより低温の火炎８が得られる。ノズルは、好都合に真直ぐに指向することができる。すなわちノズルは、互い同士の方へ、あるいは互いから離れる方向に指向させる必要は無いが、バーナヘッドの長手方向軸に対して角度をつけることもできる。

本発明の方法の一好適実施例によれば、酸化剤はガス状であり、酸素の濃度は８５％以上である。

本発明の方法の一つの重要な特徴は、酸化剤が少なくとも２ｂａｒの過圧力でバーナに供給される。火炎温度が低く、加熱炉容積でのガスの混合度が酸素燃料燃焼の場合よりを大きいので、ＮＯｘの発生が最小となり、加熱炉空間における温度差が同時に目覚しく低減される。

生産過程で用いられる従来の燃焼装置に比べて、本発明の方法を適用することにより、生産過程の効率に悪影響を与えることなく、かつ当該燃焼に要する材料を除く材料を供給することなく、ＮＯｘの発生を９０％以上低減することができる。

本発明によるバーナノズルは、酸素燃料燃焼用の従来のバーナよりも大きなサイズとならない。本発明の好適実施例では、バーナノズルの直径は、約７０ｍｍである。

以上の簡便な方法は、ユーザが現に所有している既存の装置に本発明の適用を可能とさせる。さらには、装置は、非常に高温の処理温度の場合には小さな水冷却保護ケース内に配置できる。

上述の利点は、固体燃料、気体燃料あるいは液体燃料などの選択した燃料で、本発明により達成される。本発明の構成は、生産過程に使用される加熱炉装置の再構築を行うことなく、原理的に既存の燃焼システムと交換することてができる。

使用燃料がオイル、プロパンあるいは天然ガスである場合に本発明は非常に効果的である。

図１に図示のバーナヘッドは、燃料としてオイルを使用するものである。

図２は、燃料として天然ガスを使用するバーナヘッド１０を図示する。ノズル１１は、天然ガス用のものであり、出口開口１２，１３，１４は、酸化剤用である。開口１５は、火炎モニタ用であり、開口１６は、口火用である。

酸化剤と燃料のノズルは真直ぐに指向されているので廉価で、整備容易で、かつノズル構造の交換以外のその他の手段を必要とすることなく既存の生産過程に適用可能である。

酸化剤は、ラバルノズルあるいはベンチュリノズルの形式の一つあるいは複数のノズルを介して酸化剤を燃焼空間に噴射する。酸化剤は、好ましくは、少なくとも２ｂａｒの過圧力で供給される。圧力が高ければ高いほど、発明の効果がより向上する。通常の場合の好適圧力は、４から５ｂａｒである。燃料は、利用可能な圧力で従来のノズルを介して噴射される。

本発明を例示的実施例により説明してきたが、バーナヘッドの設計は、変更可能であることが理解される。例えば、バーナヘッドは、図示のものより多くの酸化剤出口開口を有するものでも良い。さらには、燃料ノズルの配置を図示と異なるようにしても良い。

よって、本発明は、上述の実施例のみに限定することなく、添付の請求項に記載の範囲内で様々に変更可能である。

第１実施例によるバーナヘッドの正面図。 第２実施例によるバーナヘッドの正面図。 バーナが第１の態様で作動する際の一側から看たバーナヘッドと火炎を示す図式図。 バーナが第２の態様で作動する際の一側から看たバーナヘッドと火炎を示す図式図。

Claims (12)

1. 加熱炉内でバーナヘッドに燃料と酸化剤を供給して、酸化剤で燃料を燃焼させることに関する方法において、第１段階で燃料と酸化剤とを互いに近接させてバーナヘッド（１，１０）から放出して、加熱炉空間内の温度が燃料の自然発火燃焼温度を超える温度になるまで、バーナヘッドの外側の短い距離でバーナヘッドに近接させて基本的に燃焼を生じさせ、第２段階で今度は相互にある距離離してバーナヘッド（１，１０）から放出して少なくともバーナヘッドの直径に一致する距離だけバーナの外方に離れて基本的に燃焼を行うことを特徴とする方法。
2. 前記第１段階において、燃料は、バーナヘッド（１，１０）のノズル（２，１１）から放出させ、酸化剤は、ノズル周りで同心的（３）に放出することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２段階において、燃料は、バーナヘッドのノズル（２，１１）から放出させ、酸化剤は、ノズルの片側でノズルからある距離離れて設けた出口開口（４，５、１２−１４）から放出させることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 燃料ノズル（２，１１）からバーナヘッド（１，１０）の直径のほぼ１／２を越える距離で出口開口（４，５、１２−１４）を配置することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. ガス状酸化剤を用いて、酸素含有量を８０％以上とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 酸化剤を少なくと２ｂａｒの過圧力で供給することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. オイルを燃料として使用することを特徴とする請求項１から６項のいずれか一項に記載の方法。
8. 天然ガスあるいはプロパンを燃料として使用する請求項１から７項のいずれか一項に記載の方法。
9. 加熱炉内で燃料と酸化剤をバーナヘッドに供給して酸化剤で燃料を燃焼させるバーナにおいて、バーナヘッド（１，１０）は、燃料供給ノズル（２，１１）を含み、バーナヘッド（１，１０）は、更にノズルに近接して第１酸化剤出口（３）を含み、これにより、バーナヘッドの外方で短い距離でバーナヘッドに近接して燃焼が行われ、さらにバーナヘッドは、燃料ノズル（２，１１）からある距離離して位置する更に他の酸化剤出口開口（４，５、１２−１４）を含み、バーナの外側でバーナヘッドの直径に少なくとも相当する距離で燃焼が行われ、バーナは、酸化剤を少なくとも２ｂａｒの過圧力で供給することを特徴とするバーナ。
10. 出口開口（４，５、１２−１４）が、ノズル（２，１１）の片側に距離をもって配置されていることを特徴とする請求項９に記載のバーナ。
11. 出口開口（４，５、１２−１４）が、ノズル（２，１１）からバーナヘッド（１，１０）の直径の２／１を越える距離で配置されていることを特徴とする請求項９または１１に記載のバーナ。
12. 出口開口（４，５）は、ラバル管あるいはベンチュリノズルにより形成されることを特徴とする請求項９、１０又は１１に記載のバーナ。

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